原電池工作原理教與學(xué)的有效策略實(shí)踐探究

郭永強(qiáng)+桑文博

人教版高中化學(xué)教材有關(guān)電化學(xué)的內(nèi)容分別在必修2第二章《化學(xué)反應(yīng)與能量》第二節(jié)《化學(xué)能與電能》和選修4的第四章《電化學(xué)基礎(chǔ)》。本文主要針對(duì)高一必修2第二章第二節(jié)《化學(xué)能與電能》教學(xué)內(nèi)容，通過筆者具體的教學(xué)設(shè)計(jì)、實(shí)踐、反思，總結(jié)梳理出《化學(xué)能與電能》教與學(xué)的有效策略，以期達(dá)到有助教學(xué)、提高效率之作用。

一、教材分析

化學(xué)反應(yīng)有兩個(gè)基本的宏觀特征：（1）新物質(zhì)的生成；（2）能量的變化。這分別是從物質(zhì)觀和能量觀來認(rèn)識(shí)化學(xué)應(yīng)，讓學(xué)生對(duì)化學(xué)反應(yīng)有更科學(xué)、更全面的認(rèn)知。必修1主要通過具體的物質(zhì)學(xué)習(xí)解決了第一個(gè)問題，而必修2第二章《化學(xué)反應(yīng)與能量》主要學(xué)習(xí)了第二個(gè)問題。必修2《化學(xué)能與電能》是學(xué)生在對(duì)第一節(jié)《化學(xué)與熱能》學(xué)習(xí)后，對(duì)化學(xué)反應(yīng)中另一種能量的轉(zhuǎn)化方式的繼續(xù)學(xué)習(xí)。這既是對(duì)初中化學(xué)相關(guān)內(nèi)容的提升與拓展，又為選修4《電化學(xué)基礎(chǔ)》奠定必要的基礎(chǔ)。其教學(xué)的核心內(nèi)容是原電池工作原理，以及化學(xué)電源的簡(jiǎn)單介紹。要求學(xué)生對(duì)原電池工作原理有定性的認(rèn)識(shí)，會(huì)利用原電池原理設(shè)計(jì)各種原電池并解釋一些現(xiàn)象，如原電池反應(yīng)中氣泡產(chǎn)生和沉淀的生成等。

選修4的第四章《電化學(xué)基礎(chǔ)》是對(duì)本節(jié)內(nèi)容的加深和拓寬，對(duì)學(xué)生提出了更多的定量計(jì)算分析要求，難度陡然增加，學(xué)生在后面的學(xué)習(xí)中困難重重。為消除此弊端且提高教學(xué)效率，加深學(xué)生對(duì)原電池工作原理的認(rèn)識(shí)，對(duì)兩部分內(nèi)容進(jìn)行一定的整合是必要的。由于這兩部分內(nèi)容關(guān)聯(lián)度高，有機(jī)地整合不但不會(huì)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)造成困難，而且有利于學(xué)生的學(xué)習(xí)和發(fā)展。當(dāng)然，這就要求教師對(duì)學(xué)情有準(zhǔn)確把握，拿捏好“度”。

電化學(xué)是中學(xué)化學(xué)理論的重要組成部分，與學(xué)生的生活緊密聯(lián)系，又是社會(huì)的熱點(diǎn)問題，自然成為各級(jí)各類考試的常客，其重要性不言而喻。由于學(xué)生之前沒有電化學(xué)的基礎(chǔ)，電化學(xué)理論又較為抽象難懂，對(duì)老師的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)都造成了一定的困難。這也是筆者研究的出發(fā)點(diǎn)之一。

二、策略的基本理論

1.建構(gòu)主義理論支撐

建構(gòu)主義認(rèn)為，學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)不是通過教師傳授得到，而是其在一定的情境即社會(huì)文化背景下，借助其他人（包括教師和學(xué)習(xí)伙伴）的幫助，利用必要的學(xué)習(xí)資料，通過意義建構(gòu)的方式而獲得。建構(gòu)主義提倡在教師指導(dǎo)的、以學(xué)習(xí)者為中心的學(xué)習(xí)，既強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者的認(rèn)知主體作用，又不忽視教師的指導(dǎo)作用，教師是意義建構(gòu)的幫助者、促進(jìn)者，而不是知識(shí)的傳授者與灌輸者。學(xué)生是信息加工的主體、是意義的主動(dòng)建構(gòu)者，而不是外部刺激的被動(dòng)接受者和被灌輸?shù)膶?duì)象。

2.化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)

化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括五大方面的內(nèi)容，即宏觀辨識(shí)與微觀探析；變化觀念與平衡思想；證據(jù)推理與模型認(rèn)知；實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)新意識(shí)；科學(xué)精神與社會(huì)責(zé)任。此部分教學(xué)中涉及四點(diǎn)：如Cu-Zn H2SO4原電池模型的建立；Cu-Zn H2SO4原電池宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和內(nèi)在微觀原因探析；各種原電池的探究、設(shè)計(jì)和創(chuàng)新；化學(xué)電源的科學(xué)發(fā)展和污染處理的社會(huì)責(zé)任。

三、策略的實(shí)施步驟

1.課前進(jìn)行調(diào)查問卷，準(zhǔn)確把握學(xué)情，為教學(xué)策略的制定提供第一手資料的可靠依據(jù)

問卷調(diào)查的對(duì)象為高一八個(gè)班的四百多名學(xué)生，問卷形式為20道選擇題，男女分類統(tǒng)計(jì)。問卷內(nèi)容為氧化還原、離子反應(yīng)等主體知識(shí)的掌握程度，以及與電化學(xué)相關(guān)的社會(huì)生活背景的調(diào)查。發(fā)放問卷480份，回收有效問卷421份，其中男生198份，女生223份。通過對(duì)問卷的研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)氧化還原理論和離子反應(yīng)掌握程度較好，已具備學(xué)習(xí)電化學(xué)的知識(shí)基礎(chǔ)，97.6%的學(xué)生會(huì)判斷兩劑兩產(chǎn)物，對(duì)氧化還原、離子反應(yīng)方程式書寫掌握較好的分別占到了73.1%、74.8%。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在學(xué)生的社會(huì)生活背景中，他們對(duì)化學(xué)電源還是比較關(guān)注，并且對(duì)電化學(xué)的學(xué)習(xí)愿望也比較強(qiáng)烈?？傮w而言，問卷結(jié)果男生略好于女生。

全面了解學(xué)生學(xué)習(xí)電化學(xué)的知識(shí)基礎(chǔ)和社會(huì)基礎(chǔ)，結(jié)合新課程的教學(xué)理念以及探究性教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)出符合實(shí)際的、有效的課堂教學(xué)方案。

2.教學(xué)目標(biāo)制定

基于前期調(diào)查結(jié)果，將必修2和選修4部分內(nèi)容整合，提高學(xué)習(xí)效率，制定以下知識(shí)目標(biāo)：

【知識(shí)與技能】（1）原電池的構(gòu)成條件。（2）原電池的工作原理：電子與電流流向；陰、陽離子在電解質(zhì)溶液中的遷移問題；離子濃度的變化。（3）基本電極反應(yīng)方程式書寫方法。（4）原電池原理的基本應(yīng)用：判斷金屬活動(dòng)性順序；加快氧化還原反應(yīng)速率分析；簡(jiǎn)單原電池的設(shè)計(jì)。（5）各種實(shí)用化學(xué)電源介紹。（6）鉛酸蓄電池工作原理、電極方程式書寫。（7）氫氧燃料電池的工作原理及不同電解質(zhì)環(huán)境下電極方程式的書寫。

【過程與方法】（1）分組自主實(shí)驗(yàn)探究、得出結(jié)論。（2）引導(dǎo)分析，思維提升。（3）廣泛聯(lián)系社會(huì)生活，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注生活的電化學(xué)。（4）自主學(xué)習(xí)，書寫相關(guān)調(diào)查報(bào)告

【情感態(tài)度與價(jià)值觀】（1）培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力和分析問題能力。（2）培養(yǎng)學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)探究能力。（3）培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和社會(huì)責(zé)任。

基于以上教材分析和目標(biāo)制定，課時(shí)分配如下：第一課時(shí)原電池的基本構(gòu)成和工作原理；第二課時(shí)電極方程式的書寫和原電池原理的應(yīng)用；第三課時(shí)發(fā)展中的各種化學(xué)電源的介紹和廢舊電池的處理問題。

3.教學(xué)過程組織策略

（1）第一課時(shí)的教學(xué)是概念教學(xué)，原電池理論的自主構(gòu)建，教學(xué)中突出學(xué)生的主體地位，以分組實(shí)驗(yàn)探究為主要手段，緊緊圍繞學(xué)生化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng)來開展。

教學(xué)流程：先由生活中電能的重要作用，引出電能的來源方式，進(jìn)而引出原電池的學(xué)習(xí)（PPT展示，視頻結(jié)合）（5分鐘）；學(xué)生分組探究實(shí)驗(yàn)，在教師的指導(dǎo)下，對(duì)Cu-Zu H2SO4原電池的構(gòu)成條件進(jìn)行逐項(xiàng)探究，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象結(jié)合其中的化學(xué)變化、讓學(xué)生分組討論出原電池的構(gòu)成條件，凸顯學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)的教學(xué)方式，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)知識(shí)構(gòu)建的基本思路和方法（20分鐘）；針對(duì)原電池的四個(gè)構(gòu)成條件，分別給出幾種裝置，讓學(xué)生討論判斷是否構(gòu)成了原電池，進(jìn)行知識(shí)的鞏固提升（5分鐘）；對(duì)Cu-Zu H2SO4原電池的模型進(jìn)行分析討論，分別從氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)、閉合回路的構(gòu)成（即內(nèi)外電荷的傳遞方式：電子不下水，離子不上岸）、電極反應(yīng)方程式的分析來明確原電池的基本工作原理，引導(dǎo)學(xué)生畫出原電池工作的基本原理圖，把感性的模型認(rèn)知成、抽象成一般原理，提升學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)（8分鐘）；最后分組實(shí)驗(yàn)探究各種水果電池：銅片、鋅片、電流表、果蔬（蘋果、橙子、西紅柿）參照Cu-Zu H2SO4原電池模板探究其中的化學(xué)原理（5分鐘）；教師總結(jié)歸納要點(diǎn)（2分鐘）。

（2）第二課時(shí)的教學(xué)是對(duì)理論的進(jìn)一步認(rèn)知和遷移應(yīng)用，內(nèi)容主要有兩項(xiàng)：原電池原理的應(yīng)用和電極方程式的書寫。采用的主要教學(xué)方法是原理探析，引導(dǎo)分析，講練結(jié)合。

教學(xué)流程：回顧原電池的基本構(gòu)成和工作原理（以Cu-Zu H2SO4原電池為例）（5分鐘）；原電池原理的基本應(yīng)用和電極方程式的分析：基于Cu-Zu H2SO4原電池模型的理解，引導(dǎo)學(xué)生把幾個(gè)自發(fā)的氧化還原反應(yīng)設(shè)計(jì)成原電池（畫出裝置圖，明確原電池的構(gòu)成條件；寫出電極方程式，強(qiáng)調(diào)原電池的氧化還原反應(yīng)本質(zhì)，書寫中注意得失電子恒）：①Zu+CuSO4=Cu+ZuSO4；②2AgNO3+Cu=Cu（NO3）2+2Ag；③Cu+2FeCl3=CuCl2+2FeCl2（本節(jié)教學(xué)的核心內(nèi)容，難度較大，注意教學(xué)中的引導(dǎo)和對(duì)比異同，歸納提升）（22分鐘）；原電池原理的另一個(gè)應(yīng)用：比較金屬的活動(dòng)性順序（強(qiáng)調(diào)對(duì)原電池電極的認(rèn)識(shí)和工作中閉合回路構(gòu)成的分析），回到原電池的設(shè)計(jì)中的三題再分析，另舉兩題進(jìn)行自主分析討論，得出結(jié)果（8分鐘）；學(xué)習(xí)原電池原理的最后一個(gè)應(yīng)用：加快氧化還原反應(yīng)速率。類比法讓學(xué)生了解其中基本原理：普通的氧化還原反應(yīng)得失電子幾乎在同處進(jìn)行，而原電池反應(yīng)讓得失電子分別在兩電極進(jìn)行，互不影響，提高效率。類比于生活中人流密集的進(jìn)出通道分離提高效率的做法。舉例：足量Zu分別加入到等量?jī)煞菹2SO4中，一份加入少CuSO4，一份不加，分析其時(shí)間-氣體體積圖象。變式練習(xí)：等量的兩份Zu分別加入到足量?jī)煞菹2SO4中，一份加入少CuSO4，一份不加，分析其時(shí)間-氣體體積圖象（提高學(xué)生的思辨能力和審題分析能力）（8分鐘）；最后教師總結(jié)歸納，強(qiáng)調(diào)難點(diǎn)和易錯(cuò)點(diǎn)（2分鐘）。

（3）第三課時(shí)的教學(xué)為原電池原理在生活中的應(yīng)用：發(fā)展中的化學(xué)電源。本課時(shí)教學(xué)中要廣泛聯(lián)系學(xué)生的生活，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)激勵(lì)學(xué)生的科學(xué)探索精神和社會(huì)責(zé)任。

教學(xué)流程：首先回顧原電池的基本構(gòu)成和工作原理，生活中的實(shí)用電池根據(jù)其設(shè)計(jì)，PPT展示幾種干電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、蓄電池、鋰離子電池等，激發(fā)學(xué)生興趣（5分鐘）；分別學(xué)習(xí)鋅錳干電池、鉛蓄電池這兩種最普遍應(yīng)用的電池的工作原理，此處稍加深，共同書寫鉛蓄電池的電極方程式，對(duì)充電電池有初步認(rèn)識(shí)（10分鐘）；學(xué)習(xí)新型燃料電池的工作原理，分別分析H2-O2在酸性和堿性電解質(zhì)溶液中的電極方程式書寫（此處有難度，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注電解質(zhì)溶液背景對(duì)電極反應(yīng)的影響）（11分鐘）；生活激趣，學(xué)以致用：南孚電池聚能環(huán)宣傳的真實(shí)性揭秘（培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和質(zhì)疑精神）（3分鐘）；PPT展示炫酷的特斯拉、寶雞街頭的比亞迪e6電動(dòng)出租車，從方興未艾的電動(dòng)汽車入手，展示電池發(fā)展的活力及對(duì)社會(huì)生活的影響，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的動(dòng)力（4分鐘）；關(guān)注廢舊電池的危害和處理（培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任）（5分鐘）；引導(dǎo)學(xué)生分析未來電池的發(fā)展方向：穩(wěn)定性；小型化、輕量化；續(xù)航能力；理論創(chuàng)新、材料發(fā)展（引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注科技動(dòng)態(tài)和前沿，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)深造培養(yǎng)興趣）（5分鐘）；作業(yè)布置：課外調(diào)查研究：（通過網(wǎng)絡(luò)、調(diào)查等方法）寶雞新能源出租車的動(dòng)力來源、原理以及與普通出租車相比的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)（價(jià)格、動(dòng)力、自重、耐用性、充電速度、廢舊電池的處理），設(shè)想在哪些方面可以做哪些改進(jìn)，寫成500字左右小論文（提高學(xué)生的探索精神和研究能力）（2分鐘）。

四、研究結(jié)論

依據(jù)以上教學(xué)策略，基于前期調(diào)查問卷和教學(xué)策略實(shí)施后對(duì)學(xué)生進(jìn)行的問卷結(jié)果來看，原電池工作原理教與學(xué)的有效策略實(shí)踐達(dá)到了預(yù)期結(jié)果。